高反應(yīng)性鐵焦的性能及其在高爐中應(yīng)用的基礎(chǔ)研究.pdf

1、目前，煉鐵工藝中高爐煉鐵仍然處于無可爭議的領(lǐng)先地位，但隨著生鐵產(chǎn)量的不斷增加，其可持續(xù)發(fā)展受到了自然資源、能源供給等問題的制約。高爐對優(yōu)質(zhì)煤資源的嚴(yán)重依賴是其主要問題之一，按照2009年的消耗速度，中國的主焦煤和肥煤資源在50年內(nèi)將消耗殆盡。此外，我國高爐的能耗水平仍然偏高，以2010年為例，與歐洲高爐相比，我國高爐的平均燃料比和焦比分別高出50kg/t和10kg/t以上，這不僅消耗了更多的煤資源，也導(dǎo)致了更多的CO2排放，造成環(huán)境問題

2、。因此，如何有效利用煤資源，降低高爐的能耗和CO2的排放成為了鋼鐵業(yè)最關(guān)注的問題。針對以上問題，本論文對用添加有鐵礦石的配合煤混合煉制的新型爐料鐵焦進(jìn)行了研究。采用武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化公司的配合煤探究了鐵礦石種類和煉焦工藝對鐵焦質(zhì)量的影響;研究了不同鐵焦的反應(yīng)性，測定了它們的氣化反應(yīng)開始溫度;試驗(yàn)研究了鐵焦與礦石混裝對礦石還原性和爐料熔滴性能的影響;對鐵焦和鐵礦石在高爐內(nèi)的反應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析;并使用高爐一維數(shù)學(xué)模型對在高爐內(nèi)使用鐵焦的

3、效果進(jìn)行了預(yù)測，得到了以下主要結(jié)論:
　　(1)以加拿大精礦粉、澳大利亞FMG粉、鄂西高磷鐵礦粉與武漢平煤武鋼聯(lián)合焦化公司的配合煤為原料煉制了鐵焦，發(fā)現(xiàn)在煉焦過程中，配煤中的鐵礦石大部分被還原為金屬鐵，而且鐵礦石配比越多，礦石的金屬化率越高;煉制的鐵焦與不加鐵礦石時(shí)比較，相對密度增大，冷強(qiáng)度下降，反應(yīng)性明顯增大，反應(yīng)后強(qiáng)度降低，而這三種鐵礦石中加拿大礦對焦炭冷強(qiáng)度與熱性質(zhì)的不利影響最小，是本文條件下最合適的煉制鐵焦的原料;以家拿大

4、精礦粉為例，發(fā)現(xiàn)煉焦原料中礦石配比不宜超過15％，而煉焦最佳工藝條件為:堆密度1.0t/m3，燜爐時(shí)間150min，礦石粒度＜0.2mm。
　　(2)研究了鐵焦的反應(yīng)性并測定它們的氣化反應(yīng)開始溫度，結(jié)果表明:鐵焦中的金屬鐵有利于加快氣化反應(yīng)的進(jìn)行，且金屬鐵含量越高，鐵焦反應(yīng)性越好;焦炭氣化反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度提高，鐵焦的反應(yīng)速度加快，反應(yīng)率提高;采用了FactSage軟件進(jìn)行了熱力學(xué)分析，證實(shí)了試驗(yàn)中觀察到的反應(yīng)初期鐵焦重量不減反

5、增的現(xiàn)象是因?yàn)榘l(fā)生了金屬鐵被CO2氧化的反應(yīng);金屬鐵可以促進(jìn)焦炭在較低溫度下開始?xì)饣?，而且金屬鐵含量越高，鐵焦的氣化反應(yīng)開始溫度越低。
　　(3)研究了鐵焦與礦石混裝對礦石還原性和爐料熔滴性能的影響，結(jié)果表明:鐵焦與礦石混裝增加了反應(yīng)氣體的還原勢，使還原反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力提高，有促進(jìn)還原反應(yīng)的作用;增加混裝鐵焦的用量或減小混裝鐵焦的粒度，反應(yīng)中產(chǎn)生的CO更多，對還原反應(yīng)促進(jìn)作用更明顯;鐵焦與還原性較好的礦石發(fā)生耦合反應(yīng)效果更好;與鐵焦混

6、裝爐料的還原度升高，透氣性阻力減小，高溫熔滴性能改善;同時(shí)，增加混裝鐵焦的用量使軟化區(qū)間增大，而軟熔區(qū)間有所減小，爐料熔滴性能改善。
　　(4)采用未反應(yīng)核模型對鐵焦和鐵礦石在高爐內(nèi)的反應(yīng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，并采用分段法對鐵礦石還原的限制環(huán)節(jié)進(jìn)行判斷，采用混合環(huán)節(jié)控制對鐵焦的氣化進(jìn)行分析。此外，由于燒結(jié)礦結(jié)構(gòu)不規(guī)則且顯微結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以用傳統(tǒng)方式進(jìn)行描述，因此引入分形法對燒結(jié)礦還原進(jìn)行分析。得到如下結(jié)論:
　　1)在反應(yīng)的開始階

7、段，鐵礦石還原的限制環(huán)節(jié)為界面化學(xué)反應(yīng)，而隨著反應(yīng)的進(jìn)行固體內(nèi)擴(kuò)散逐漸成為反應(yīng)的限制環(huán)節(jié);
　　2)根據(jù)動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到了球團(tuán)礦和燒結(jié)礦在900～1000℃溫度范圍內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)和內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)，并依此計(jì)算了其界面反應(yīng)活化能和內(nèi)擴(kuò)散活化能，得出燒結(jié)礦的界面反應(yīng)活化能與內(nèi)擴(kuò)散活化能要低于球團(tuán)礦;
　　3)微觀分析結(jié)果表明，鐵礦石的還原是按照氧化物由高級到低級逐步進(jìn)行的，鐵礦石采用未反應(yīng)核模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析是正確的;
　　

8、4)鐵焦在模擬高爐混合氣體中進(jìn)行氣化反應(yīng)時(shí)，在反應(yīng)初期仍有輕微的氧化現(xiàn)象，而且氧化現(xiàn)象隨溫度升高而減弱;
　　5)計(jì)算得到鐵焦2的活化能低于鐵焦0的活化能，這表明鐵焦2在較低溫度下就能開始并較快地進(jìn)行氣化反應(yīng);
　　6)對鐵焦氣化反應(yīng)各阻力比例進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)鐵焦在反應(yīng)開始階段受界面化學(xué)反應(yīng)控制，隨反應(yīng)進(jìn)行界面化學(xué)反應(yīng)阻力逐漸減小，而內(nèi)擴(kuò)散阻力增加，內(nèi)擴(kuò)散逐漸成為反應(yīng)的限制環(huán)節(jié)。
　　(5)建立了全高爐一維數(shù)學(xué)模型，采用